การแปรรูปและอัพไซเคิลวัตถุดิบจากแบตเตอรี่ปฐมภูมิที่ใช้แล้ว เพื่อนำมาสังเคราะห์เป็นวัสดุประเภทสปิเนล LiMn2O4 และวัสดุคอมโพสิตระหว่าง alpha-MnS กับคาร์บอน สำหรับขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

บทคัดย่อ

โครงงานวิจัยนี้มุ่งเน้นการแปรรูปและเพิ่มมูลค่าวัตถุดิบจากแบตเตอรี่ปฐมภูมิ (ถ่านไฟฉาย) ที่ใช้แล้ว เพื่อนำมาสังเคราะห์วัสดุต่าง ๆ โดยเฉพาะสารประกอบสปิเนล LiMn2O4 ที่เป็นองค์ประกอบของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ทีมผู้วิจัยเริ่มจากคัดแยกและแกะแยกชิ้นส่วนของถ่านไฟฉายใช้แล้วทั้งแบบถ่านสังกะสี-คาร์บอน (zinc-carbon; zc) และถ่านแอลคาไลน์ (alkaline; al) เมื่อแยกนำผงดำ (ขั้วแคโทด) มาวิเคราะห์พบว่ามีองค์ประกอบหลักเป็นโลหะแมงกานีส และสังกะสีในรูปของสารประกอบออกไซด์ ซึ่งสามารถชะละลายออกมาได้หมดโดยใช้กรด H2SO4 ผสมกับ H2O2 จากนั้นทีมผู้วิจัยสามารถตกตะกอนแยกสังกะสีออกจากแมงกานีสโดยใช้สารละลาย Na2S โดยการควบคุม pH ไว้ที่ 1.8 จะส่งผลให้ตะกอน ZnS เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ไม่มีการตกตะกอนร่วมของแมงกานีส ซึ่งแมงกานีสที่อยู่ในสารละลายจะตกตะกอนในลำดับต่อมาด้วยสารละลาย Na2CO3 ที่ pH 8-9 ก็จะได้ตะกอนสีครีมของสารประกอบ MnCO3 สารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากการตกตะกอนสามารถยืนยันโครงสร้างได้ด้วยเทคนิค XRD และ SEM หลังจากนั้นทีมผู้วิจัยได้นำ MnCO3 มาใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารประกอบสปิเนล LiMn2O4 (zc-LMO และ al-LMO) โดยวิธี solid state จะให้ผลิตภัณฑ์ LiMn2O4 ที่มีความเป็นผลึก มีรูปสัณฐานของ primary particle แบบผลึกทรงลูกบาศก์ที่ขนาดเล็ก ประมาณ 350 นาโนเมตร สำหรับ zc-LMO และ 498 นาโนเมตร สำหรับ al-LMO และปริมาณของโลหะอื่น ๆ ที่ปนเปื้อนพบว่าอยู่ในระดับน้อยกว่า 0.5%w/w ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากระบวนการแยกแมงกานีสเพื่อนำมาสังเคราะห์ LiMn2O4 เกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับผลการทดลองเชิงเคมีไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าแคโทด zc-LMO และ al-LMO เทียบกับขั้วไฟฟ้าที่ใช้สารมาตรฐาน (c-LMO) พบว่ามีค่าการเก็บประจุเริ่มต้นที่ 90 mAh g-1 สำหรับ zc-LMO และ 83 mAh g-1 สำหรับ al-LMO ซึ่งใกล้เคียงกับ c-LMO (92 mAh g-1) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น lithiation และ delithiation บนขั้วไฟฟ้าก็ผันกลับได้เป็นอย่างดี รวมไปถึงความเสถียรเชิงเคมีไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าก็อยู่ในระดับที่สูง โดยมี %capacity retention เป็น 98.9% สำหรับ zc-LMO 98.5% สำหรับ al-LMO และ 97.9% สำหรับ c-LMO ตามลำดับ นอกจากนี้ผลการคำนวณปริมาณ LiMn2O4 ที่ได้จากการใช้สารตั้งต้นแมงกานีสจากผงดำของแบตเตอรี่ปฐมภูมิ (ถ่านไฟฉาย) ที่ใช้แล้วจำนวน 5 กรัม พบว่ามีผลิตภัณฑ์หลัก LiMn2O4 ปริมาณ 2.5 กรัม และผลิตภัณฑ์ข้างเคียง ZnS ปริมาณ 1.9 กรัม และผงคาร์บอน ปริมาณ 0.5 กรัม ซึ่งผลิตภัณฑ์ข้างเคียงดังกล่าวสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมต่อเนืองได้ อันจะเป็นการเพิ่มความคุ้มค่าให้กับกระบวนการอัพไซเคิล และในส่วนของสารเคมีของเสียที่ยากต่อการนำไปใช้ประโยชน์คือ Na2CO3 และ Na2SO4 ซึ่งถือว่าเป็นสารเคมีที่ไม่ได้จัดอยู่ในความอันตรายระดับสูง สามารถส่งกำจัดได้เพื่อประโยชน์ในการวิเคราะห์หาโอกาสความเป็นไปได้ของการต่อยอดงานวิจัยสู่การใช้จริง การวิเคราะห์ต้นทุนเบื้องต้นโดยมีหมวดหมู่ต้นทุนต่าง ๆ ได้แก่ ต้นทุนค่าวัสดุ ต้นทุนค่าสาธารณูปโภค ต้นทุนค่าพลังงาน ต้นทุนค่าเสื่อมวัสดุ และต้นทุนค่าแรงงานในกรณีที่มีการขยายสเกล ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการผลิต LiMn2O4 จากวัตถุดิบรีไซเคิลแบตเตอรี่ปฐมภูมิใช้แล้ว มีต้นทุนอยู่ที่ 4.37 บาทต่อ 1 กรัม LiMn2O4 ซึ่งราคาต้นทุนดังกล่าวขึ้นอยู่กับปริมาณการรีไซเคิลแบตเตอรี่ปฐมภูมิใช้แล้ว กล่าวคือยิ่งมีการขยายสเกลหรือต่อยอดเชิงพาณิชย์ ก็ยิ่งพอมีโอกาสที่จะได้ราคาต้นทุนที่ต่ำลง

คำสำคัญ